移動多媒體系統(tǒng)設計中的關鍵技術

張振環(huán) 別紅霞 2008/10/10

圖1 移動多媒體終端系統(tǒng)結構框圖

　　1. 微處理器系統(tǒng)

　　核心微處理器將采集到的原始多媒體數(shù)據經過音視頻編碼設備根據給定的編碼標準（H.263、H.264、MPEG-4…）進行編碼，以備本地播放或通過網絡傳輸。同時，還要提供必要的多媒體外設接口、外部存儲器接口和網絡接口。

　　目前，比較流行的核心微處理器的選擇方案主要有以下幾種：

　　采用特殊用途的數(shù)字信號處理器（DSP）芯片�，F(xiàn)在，國際上已經推出了不少專用型DSP芯片，特別還有針對H.263、MPEG、JPEG標準的芯片。在這些芯片中，其軟件算法已在芯片內部用硬件實現(xiàn)，適用于對速度要求很高的場合。這種方案的缺點是靈活性差，開發(fā)工具尚不完善。

　　利用可編程DSP芯片實現(xiàn)。DSP芯片采用改進的哈佛總線結構，內部有硬件乘法器、累加器，使用流水線結構，具有良好的并行性等，非常適用于不允許有延遲的實時應用領域。而且，一塊內嵌的DSP芯片結合外圍電路能完成整個系統(tǒng)的壓縮編碼。這種方案有很強的靈活性，硬件系統(tǒng)完成后，整個系統(tǒng)的升級僅僅需要修改軟件即可。

　　用FPGA等可編程陣列產品實現(xiàn)。可以利于公司專用軟件或VHDL等開發(fā)語言，通過軟件編程用硬件實現(xiàn)特定的音視頻壓縮算法。這一方案具有通用性的特點，并可以實現(xiàn)算法的并行運算，無論是作為獨立的數(shù)字信號處理器，還是做為DSP芯片的協(xié)處理器，都是比較活躍的研究領域。

　　2. 多媒體外設

　　多媒體外設主要包括攝像頭、顯示設備、音視頻處理設備，還包括耳機話筒、網絡智能卡、天線和電池等。攝像頭采集視頻信號，顯示設備將從本地或網絡得到視頻數(shù)據打開數(shù)據包，進行視頻解碼，并把得到的視頻數(shù)據顯示出來，同時，如果嵌入式網絡多媒體終端需要驗證視頻壓縮的數(shù)據的正確性，還可以帶有本地解碼器，支持解碼數(shù)據的本地顯示。

　　3. 數(shù)據存儲設備

　　數(shù)據存儲設備包括RAM、ROM、SDRAM和FLASH，用來擴展系統(tǒng)存儲空間，存儲經過編解碼的多媒體數(shù)據和終端控制程序。

　　4. 無線網絡接口模塊

　　無線網絡接口模塊處理音視頻編碼流，把音視頻數(shù)據打包為適合網絡傳輸?shù)臄?shù)據包，并把它通過無線網絡傳輸出去。并支持系統(tǒng)選定的無線網絡傳輸控制協(xié)議。如：

　　5. 以DM642為核心處理器的多媒體終端典型構架

圖2 以DM642為核心的多媒體終端的系統(tǒng)框圖

三、抗干擾的視頻編解碼技術

　　1. 視頻編解碼技術

　　為了能在時變、帶寬有限、誤碼率較高的無線信道上傳輸視頻數(shù)據，圖像視頻編碼算法必須滿足：高效的視頻壓縮比；較高的傳輸實時性；較強的視頻傳輸魯棒性。

　　目前，圖像視頻壓縮標準有國際標準化組織ISO和國際電工委員會IEC關于活動圖像的編碼標準MPEG-X，國際電信聯(lián)盟ITU-T關于視頻電話/視頻會議的視頻編碼標準H.26X，以及3GPP提出的第三代移動通信流媒體傳輸標準。

　　MPEG-4已應用于Internet流媒體領域，如移動通信和個人通信中的聲像業(yè)務，以及各種基于無線網絡環(huán)境的手持式電子產品。今后還將可能應用于多媒體電腦、掌上電腦、網絡電視、遠程視頻監(jiān)控、視頻會議和可視電話等。MPEG-7被稱為“多媒體內容描述接口”，為各類多媒體信息提供一種標準化的描述，可以應用于智能多媒體、多媒體編輯、多媒體目錄服務、個人的多媒體收集管理系統(tǒng)等。MPEG-21的目標是定義一個交互式多媒體框架，跨越大范圍內不同的網絡和設備，使用戶能夠透明地使用多媒體資源，存取、使用并交互多媒體對象，實現(xiàn)多種業(yè)務模型。在MPEG系列中，最適合目前移動多媒體通信技術及移動多媒體終端制造水平的應該是MPEG-4視頻編碼標準。因此一般采用MPEG-4 簡單類作為目前移動多媒體終端的首選視頻編解碼標準。

　　ITU-T頒布的H. 261標準，用于可視電話和會議電視。后來又陸續(xù)發(fā)展了H.263、H.263＋、H.264。它們的壓縮原理是充分利用視頻數(shù)據的空間和時間冗余，采用預測與變換的混合編碼方法，對殘余的數(shù)據進行編碼，保證了極大的壓縮比。H. 263在多媒體電腦、掌上電腦、網絡電視、遠程視頻監(jiān)控、視頻會議和可視電話等都己經有了廣泛的應用。目前最新的H. 264標準能夠比H. 263節(jié)約50%左右的碼率，應用范圍包括網絡廣播、網絡會議和無線視頻監(jiān)控等。

　　3G-324M作為3GPP提出的第三代移動通信流媒體傳輸標準，可確保有線視頻傳輸系統(tǒng)與第三代移動視頻傳輸系統(tǒng)之間的互操作性。與ITU-T H.324中的視訊會議標準有較緊密的聯(lián)系。3G-324M適用于UMTS移動網絡中的64kbit/s電路交換鏈路，其復用協(xié)議為H.223、控制協(xié)議為H.245，缺省視頻編碼器采用H.263及MPEG-4簡單類第一級，缺省語音編碼器則為GSM-AMR和G.723.1。3GPP2也將類似的標準集應用于3GPP2無線網絡電路交換視頻會議業(yè)務。

　　2. 編解碼中的抗干擾問題

　　相對于有線傳輸信道，移動通信所使用的無線傳輸信道環(huán)境要惡劣得多，數(shù)據包的接收誤碼率要高出幾個數(shù)量級。而壓縮視頻流對誤碼非常敏感，即使接收到數(shù)據包的誤碼率很低，也會對解碼后的圖像質量造成很嚴重的影響。因此，抗干擾技術成為各種編解碼技術中的關鍵問題。

　　（1） H.263抗干擾機制

　　為了提高壓縮效率并拓展在無線通信中的適用范圍，提出了一種基于H.263編解碼標準的改進的H.263＋編解碼機制。借鑒了基于Huffman的可逆變長編碼（RVLC）的思想，每個RVLC碼字可以前向解碼也可以反向解碼，如果在RVLC中檢測到突發(fā)誤碼，解碼器將跳到該分段的結束處開始反向解碼，結果只是丟棄了碰到誤碼的分段的部分數(shù)據，更多的數(shù)據可以恢復。

　　在H.263+基線模式編碼過程中，同步標志不僅可以用來向后同步，也可以用來向前同步，在不降低編碼效率的前提下，結合差錯掩蓋，極大的提高視頻圖像在無線網絡等噪聲信道中傳輸?shù)馁|量。

　　在改進的編碼器中，為了阻止GOB前半程MB行誤碼擴撒到后半程，設定后半程MB行的第一個預測運動矢量（MV）的水平和垂直分量都為0，其后宏塊（MB）的運動矢量（MV）采用運動矢量差（MVD）來預測編碼。
差錯監(jiān)測和差錯定位。傳輸差錯可以通過視頻信號的內在特征或編解碼器的句法來檢測，如相鄰宏塊（MB）或者塊（block）的邊界存在劇烈的跳變，沖突的碼字，無效的運動矢量等都可以認為出現(xiàn)了誤碼。

　　（2） MPEG-4抗誤碼工具

　　MPEG-4 提供了多種抗誤碼工具，承載流媒體業(yè)務的實時網絡傳輸層及底層移動通信系統(tǒng)可以根據傳輸信道的質量、系統(tǒng)需要提供的圖像質量，以及在圖像壓縮效率和抗誤碼性能間的權衡，自適應地選擇抗誤碼工具，改善流媒體傳輸?shù)目拐`碼性能。MPEG-4的 抗誤碼工具包括：

　　包的重同步標識，每隔固定的比特數(shù)周期性地插入重同步標識，并在視頻編碼時去除兩個不同視頻包之間所有數(shù)據的依賴性。解碼器在解碼過程中識別到不可糾正的錯誤時，就會依據下一個重同步標識重新編碼流同步信息，這樣，就減少了由于失步而不得不丟棄的數(shù)據量。

　　數(shù)據分割（DP），使用運動邊界標記（MBM）將視頻數(shù)據分為運動部分和紋理部分，可以更嚴格的檢查位移估值數(shù)據的合法性，主要用于誤碼檢測及提高錯誤定位能力。

　　頭信息擴展編碼（HEC），在視頻碼流中保護重要的頭信息等，視頻頭信息可以在特定的視頻包中重復發(fā)送。

　　可逆的變長編碼（RVLC），解碼檢測到誤碼后，可以從下一個重同步標識開始，反向解碼直到誤碼處。

　　（3） 第三代移動通信的抗誤碼性能

　　第三代移動通信是建立于直接序列擴頻、軟切換及快速功率控制等最新通信技術上的，因此具備抗窄帶干擾、抗多徑衰落及抗時延擴展等能力。同時，第三代移動通信系統(tǒng)也采用了卷積碼及TURBO碼作為前向糾錯編碼（FEC），大大提高了移動環(huán)境下數(shù)據傳送的抗誤碼性能。而且，由于直接序列擴頻技術允許為移動終端用戶分配多個語音或數(shù)據業(yè)務邏輯信道，為在視頻流媒體傳送中采用數(shù)據分割優(yōu)先級傳輸技術提供了可能。壓縮視頻流中更重要的部分，如同步頭或運動矢量信息可以單獨占據一個優(yōu)先級較高的邏輯信道，而相對次要的部分，如紋理信息可以只占用優(yōu)先級較低的邏輯信道，這樣可以確保在同樣的傳輸環(huán)境條件下，視頻質量受到誤碼的影響相對較小。

四、移動通信網絡

　　目前，能傳輸多媒體業(yè)務的寬帶無線接入技術有多種，如VSAT寬帶衛(wèi)星廣域接入、以IEEE 802.16為代表的寬帶無線接入系統(tǒng)（BWA，包括MMDS、LMDS）、中距離的無線本地環(huán)路技術、以IEEE 802.11系列和HiperLAN為代表的無線局域網接入、以IEEE 802.15無線個人域網WPAN，包括藍牙、紅外、超寬頻以及HomeRF為代表的短距離無線互連技術。最近，作為一種解決“最后一公里”瓶頸的解決方案，自由空間光通信（Free Space Optical Communication）技術也浮出水面。

　　1. 基于2.5G公眾移動通信網絡

　　中國聯(lián)通采用的CDMA2000 1X制式，是基于碼分多址的移動通信技術，通過一個標準的（lx)CDMA頻道能夠支持語音和數(shù)據服務，具有許多優(yōu)越的性能。首先，它的容量接近于以前CDMA 1X系統(tǒng)容量的兩倍(比TDMA和GSM更好)，從而能夠適應不斷增長的語音服務和無線互聯(lián)網新型服務的需要。其次，它的最高下載速度可以達到153kbit／s，現(xiàn)網實測可以達到100kbit／s左右。

　　中國移動采用的GPRS技術，是基于GSM 網絡發(fā)展而來的新型分組交換數(shù)據應用業(yè)務。與傳統(tǒng)的GSM 電路撥號交換相比，GPRS在資源利用效率、交換容量和性能上都有一個質的飛躍。GPRS 拋棄了傳統(tǒng)的獨占電路交換模式，采用分組交換技術，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享．有效地利用了信道資源，帶寬理論最高可達171．2kbit／s，現(xiàn)網測試也可達到35kbit／s左右。

　　2. 基于無線局域網絡

　　無線局域網絡(WLAN)是利用射頻或紅外線的技術，以無線的方式連接兩部或多部需要交換信息的移動多媒體設備。相較于以有線方式所構成的區(qū)域網絡，無線局域網絡具有存取架構簡單、高移動性等優(yōu)勢。

　　為了保證多媒體文件的穩(wěn)定傳輸就必須有足夠的網絡帶寬，不同的多媒體文件對網絡帶寬的要求各不相同，為了達到更好的視頻質量，網絡帶寬就更為重要。無線網絡標準協(xié)議IEEE802.11b/g/a定義的網絡帶寬包括多種標準：11Mbps/22 Mbps/54Mbps，其中有效數(shù)據傳輸帶寬分別為5Mbps/10Mbps/22Mbps，完全可以滿足各種類型的多個并發(fā)多媒體文件穩(wěn)定傳輸，保證高質量的視頻信息。

　　3. 未來發(fā)展方向——3G

　　隨著3G移動通信系統(tǒng)走向實用，高至2MHz的帶寬將為移動多媒體通信提供更加強有力的支持。此時視頻的質量將會有極大的改善。顯示屏、 CPU 內存、電池和解碼軟件等關鍵技術領域的發(fā)展也使得移動終端的功能日益增強，更多適合移動多媒體業(yè)務的終端不斷涌現(xiàn)。此外，未來的3G系統(tǒng)也將考慮公眾移動通信網絡與WLAN系統(tǒng)的融合，用戶將有可能真正實現(xiàn)“任何時間、任何地點、任何終端”的無縫式移動多媒體通信。

五、SIP將成為無線多媒體傳輸?shù)闹髁骺刂茀f(xié)議

　　在移動多媒體系統(tǒng)應用中，控制協(xié)議決定了整個系統(tǒng)的效率、兼容性、安全性等諸多重要問題，是系統(tǒng)運轉的指揮中心。

　　傳統(tǒng)的通信協(xié)議是通過TCP建立端到端的連接，連接建立的延遲較大，傳遞的私有信令內容簡單，不但無法滿足兼容性要求，而且使得系統(tǒng)功能單一，缺乏進一步的控制能力。

　　當前，基于SIP（Session Initiation Protocol即會話啟動協(xié)議）的新型實時控制協(xié)議，是IETF制定的多媒體通信系統(tǒng)框架協(xié)議之一的應用層（信令）控制協(xié)議，具有靈活、簡單、可擴展性強的特點，在無線通信領域的應用前景極為廣闊。

　　基于SIP協(xié)議，采用UDP傳輸信令，請求建立連接與媒體能力協(xié)商過程同時進行，大大縮短了連接建立的延遲，在會話過程中SIP可以通過UPDATE方法隨時修改媒體能力參數(shù)，通過re-INVITE方法重新建立連接。SIP因其系統(tǒng)架構支持移動性，能夠保證監(jiān)控雙方的雙方均可以自由移動。此外，SIP擁有比較完善的端到端的鑒權機制，具有更高的安全性。

　　采用SIP作為移動多媒體系統(tǒng)的控制協(xié)議，不但能夠實現(xiàn)有線網絡和無線網絡的平滑過渡，還保留了向上兼容的特性，采用時間通告機制避免了大量冗余數(shù)據的傳輸，保障了網絡資源的合理利用同時減輕了用戶端設備的負擔。

　　3GPP在R5階段提出了IMS（IP多媒體子系統(tǒng)）的概念，旨在集語音、視頻、消息和基于web的技術于一體并實現(xiàn)有線和無線的融合。為實現(xiàn)接入的獨立性和無線終端與Internet互操作的平滑性，SIP成為IMS中最適合的會話控制機制。SIP同樣適合其它的無線通信方式如WLAN、WiMax等，從根本上說,SIP適用于任何采用分組交換的通信方式，這種特性使它成為NGN中的熱門協(xié)議。

六、小結

　　建立于更高性能的移動多媒體終端、抗干擾的音視頻編解碼標準、新型的無線傳輸控制協(xié)議及第三代移動通信技術之上的無線實時多媒體通信系統(tǒng)具有寬帶、高壓縮比、碼率可擴展及抗誤碼等特性，可以樂觀的預計：在未來移動通信網絡中，各類高速實時移動多媒體系統(tǒng)的應用前景將會是十分廣闊的，此外，基于多網融合，實現(xiàn)多媒體的有線網絡與無線網路業(yè)務的融合，也是必然的發(fā)展方向。

《中國多媒體通信》